Современные технологии передачи голосовых данных

Передача голоса по сетям ATM (Voice Over ATM — VoATM) может осуществляться как стандартная эмуляция голосового канала с импульсно-кодовой модуляцией (AAL1, рассматривается ниже) или как передача голоса в ячейках ATM с переменной битовой скоростью (AAL2, также рассматривается ниже). Использование коммутации ATM имеет много преимуществ при передаче и коммутации голосовых данных. Прежде всего, это гарантированное качество обслуживания (Quality Of Service — QoS), определяемое провайдером для пользователя или для каждого звонка в отдельности. Кроме того, в основе сигналов настройки вызова для коммутируемых виртуальных каналов ATM (Switched Virtual Circuits — SVC), Q.2931, лежат сигналы настройки вызова для голосового ISDN, Q.931. Администрирование сходно с обычными телефонными каналами.

Однако применение технологии VoATM страдает от излишней сложности, недостаточной поддержки и слабого взаимодействия между производителями. Наблюдается тенденция к удорожанию из-за ориентации исключительно на оптические сети. И, что наиболее важно, ATM обычно внедряется как протокол 2-го уровня распределенных сетей и потому не распространяется на всю сеть, вплоть до настольных ПК. Тем не менее, ATM достаточно эффективно выполняет функции магистрали и транзитного коммутатора между существующими голосовыми коммутаторами и АТС.

Передача голоса по сетям Frame Relay получила широкое распространение. Как и технология VoATM, она обычно применяется в качестве связующей магистрали или транзитного коммутатора между удаленными АТС. Ее преимущество заключается в более простом администрировании и в относительно невысокой по сравнению с VoATM стоимости, особенно при использовании в частных распределенных сетях. Ее масштабирование также экономичнее, чем у VoATM, благодаря поддержке различных каналов — от Т1 до 56 Кбит/с. Если сеть Frame Relay тщательно спроектирована, то технология VoFR работает очень надежно и обеспечивает высокое качество. Однако качество голоса в сетях Frame Relay может страдать из-за нестабильности и задержек. Несмотря на то, что требования к минимальной полосе пропускания и всплескам постоянно снижаются, нестабильность и задержки часто не включаются в соглашения об уровне обслуживания (Service Level Agreements — SLA), заключаемые с провайдерами. В результате скорость передачи голоса непостоянна. Даже если поначалу качество удовлетворительно, со временем, по мере насыщения сети провайдера различными потоками данных, оно может ухудшиться. По этой причине многие крупные корпоративные потребители начинают указывать в своих требованиях к провайдеру допустимый уровень нестабильности и задержки вместе со средней пропускной способностью, обеспечиваемой сетью провайдера. В таких ситуациях обеспечивается высококачественная передача голоса по сети Frame Relay.

В последние годы начала внедряться передача голоса по IP-сетям. В отличие от передачи голоса по сетям Frame Relay и ATM, передача голоса по IP-сетям является решением 3-го уровня (сетевого). Она более значима и полезна, так как протокол IP распространяется вплоть до настольных персональных компьютеров. Это означает, что, кроме обеспечения основной магистральной связи и транзитной коммутации для АТС, технология VoIP может начать заменять АТС в качестве приложения. Как решение 3-го уровня, VoIP маршрутизируется и может прозрачно передаваться в любой сетевой инфраструктуре, включая сети Frame Relay и ATM. Из всех технологий пакетной передачи голоса для VoIP характерны, вероятно, наибольшие проблемы в обеспечении качества, потому что качество обслуживания при использовании этой технологии не гарантируется. Обычные приложения, такие как протокол TCP, работающие в IP- сетях, не чувствительны к задержкам. Они лишь должны повторно отправлять пакеты, потерянные из-за коллизий и перегрузок. Передаваемая речь более чувствительна к задержкам пакетов, чем к их потере. Кроме обычной перегрузки сети, качество обслуживания в сетях VoIP часто зависит от нижних уровней, которые не различают голосовые и цифровые потоки данных.

Сети для передачи голосовых данных

Основы голосовых технологий были заложены более 100 лет назад. За это время они развились настолько, что стали вездесущими и часто невидимыми для большинства пользователей. Это наследие медленной эволюции во многом продолжает влиять и на современные усовершенствованные голосовые сети, поэтому важно сначала освоить основы традиционной голосовой технологии, и только потом переносить ее на компьютерные сети.

В традиционных аналоговых телефонных аппаратах, применяемых в обычных телефонных сетях, для подключения к сети используется простой двухпроводной интерфейс. Комбинация входящих и исходящих сигналов в них определяется внутренним двух- и четырехпроводным гибридным каналом. Такой экономичный подход эффективен, но требует принятия специальных мер по борьбе с отраженным звуком. Следует отметить, что стоимость и необходимость прокладки новых кабелей практически исключают возможность создания четырехпроводной цепи от пользователя к телефонной станции.; вследствие этого локальное ответвление к абоненту проходит через гибридные фильтрующие каналы, которые позволяют передавать дуплексные сигналы в обоих направлениях по одному и тому же двухпроводному каналу.

Гибридное эхо является первичным источником общего эха, генерируемого общедоступной телефонной сетью (public switched telephone network — PSTN). Это электрически генерируемое эхо создается по мере того, как голосовые сигналы передаются по сети через гибридное соединение в точках преобразования двухпроводного канала PSTN в четырехпроводной, при котором электрическая энергия отражается от четы- рехпроводного канала в направлении абонента. На маршруте прохождения сигнала между двумя телефонными аппаратами, в том числе и при удаленном вызове, требуется усиление сигнала с использованием четырехпроводного канала в сети PSTN.

Основы телефонии

Для традиционной телефонии требуется три типа сигналов: слежения, уведомления и адресации. Сигнал слежения позволяет наблюдать за состоянием устройств — например, сообщает центральному офису или АТС о том, что снята трубка и набирается номер, или что разговор окончен. Сигнал уведомления предназначен для того, чтобы сообщать пользователю о входящем звонке или о состоянии вызова ("занято", "перезвоните" и т.п.). Наконец, сигнал адресации дает возможность пользователю набрать добавочный номер.

Кроме сигналов, телефонные службы предоставляют защищенную среду для передачи голоса, обеспечивают аналого-цифровое преобразование, соединение и заземление, электропитание и, при необходимости, выполнение других функций.

За годы развития аналоговые голосовые интерфейсы стали обеспечивать эти основные функции для определенных приложений. Поскольку основные двухпроводные аналоговые интерфейсы телефонных сетей работают по модели "ведущий/ведомый", компьютерное оборудование должно имитировать два основных типа аналоговых интерфейсов: пользовательский и сетевой. Пользовательский интерфейс (телефон) должен получать от сети питание и сигнал слежения.

Для соединения с аналоговым телефоном, факсом, модемом или другим устройством, которое может быть подключено к телефонной линии, используется интерфейс внешней службы обмена (Foreign Exchange Service — FXS). С его выхода снимается постоянное напряжение 48 В, сигнал звонка и т.п., а на вход поступают цифры набираемого номера. Противоположностью интерфейса FXS является интерфейс офиса внешнего обмена (Foreign Exchange Office — FXO). Он используется для соединения с системой коммутации, обеспечивая обслуживание и слежение, и предполагает, что коммутатор обеспечивает слежение и другие элементы. (У читателя может возникнуть вопрос: почему используется термин "внешний" обмен? Дело в том, что термины FXS и FXO первоначально использовались в сетях телефонных компаний для описания телефонных услуг, предоставляемых другим центральным офисом, а не тем, на который эти обязанности обычно возлагаются.)

В интерфейсах FXS и FXO необходимо также имитировать варианты слежения. Обычные телефоны работают в режиме циклического старта. Обычно в телефоне имеется высокое сопротивление между двумя проводами. Когда на приемнике снимают трубку, между двумя проводами замыкается цепь с низким сопротивлением. Затем коммутатор, на который поступил ток, определяет, что трубка снята, и посылает сигнал набора. Кроме того, коммутатор, прежде чем послать звонок, проверяет, не снята ли трубка на приемнике. Эта система хорошо работает в простых телефонах, но может вызвать проблемы на магистралях между АТС и СО с высокой активностью. В такой ситуации удаленная система и коммутатор СО могут попытаться занять линию одновременно. Подобная ситуация, называемая "бликом" (glare), может "заморозить" магистраль до того момента, пока одна из сторон ее не освободит. Решение проблемы заключается в коротких предупреждениях или звонках на "землю", оповещающих о занятии линии, а не зацикливании. Такой метод называется "стартом от земли" ("ground start").

После того как линия занята, необходимо набрать номер. Человеческие пальцы не могут сделать это быстрее, чем срабатывают приемники набора в современных коммутаторах, но при автоматическом наборе АТС такое возможно. В этом случае многие аналоговые магистрали используют метод задержки старта, или "мерцающий старт", чтобы уведомить вызывающее устройство о том, что коммутатор готов принять цифры набора.

Еще одним аналоговым интерфейсом, часто используемым для магистралей, является интерфейс Е&М. Он представляет собой четырех- или шестипроводной интерфейс, в котором, кроме голосовой пары, предусмотрены отдельные провода для слежения. Аббревиатура Е&М означает "ear and mouth" ("ухо и рот") или "earth and magneto" ("земля и индуктор"). Провода интерфейса Е&М используются для подачи сигналов о состоянии трубки: снята или повешена.

Аналоговая передача голоса полноценно работает для основных магистральных соединений между коммутаторами или АТС, но неэкономична, если количество соединений превышает 6—8 каналов. На этой стадии, как правило, более эффективно использование цифровых магистралей. В Северной Америке применяется магистраль Т1 (со скоростью 1,544 Мбит/с), которая может поддерживать 24 оцифрованных аналоговых разговора. В других частях света используется Е1 (2,048 Мбит/с), поддерживающая 30 голосовых каналов. (Применение линий Е1 и Т1 в разных странах инженеры называют "правилом бейсбола" — обычно линии Т1 распространены там же, где популярна игра в бейсбол: крупнейшие сети Т1 находятся в Соединенных Штатах, Канаде и Японии, а в других странах используется Е1.)

Первым шагом в оцифровке является квантование голосовых данных. Согласно теореме Найквиста, частота квантования должна быть вдвое больше наивысшей желаемой частоты. Некогда специалисты по телефонии решили, что диапазон в 4000 Гц будет достаточным для того, чтобы можно было разобрать человеческую речь (что соответствует производительности длинных аналоговых петель). Поэтому голосовые каналы квантуются со скоростью 8000 раз в секунду, или один раз в 125 мс. Размер кванта определяется 8-разрядным числом, что в итоге обеспечивает передачу 64000 битов в секунду. В заключение выполняется настройка громкости (компандирование) для повышения точности низко-амплитудных компонент. В Северной Америке для этого применяется u-закон (или ши-закон), а в остальных странах — обычно А-закон. При передаче по объединенным сетям, согласно действующему соглашению, Северная Америка выполняет соответствующее преобразование.

При создании линии Т1 объединяются 24 канала с общей пропускной способностью 1,536 Мбит/с, к которым каждые 125 мс добавляются еще 8 битов для создания фрейма, что требует скорости передачи 1,544 Мбит/с. Часто фреймы Т1 объединяются в более крупные структуры, называемые суперфреймами (12 фреймов) и расширенными суперфреймами (24 фрейма). Дополнительные сигналы могут передаваться "заимствованными битами" (robbing bits) из внутренних фреймов.

Основные интерфейсы Т1 и Е1 имитируют набор аналоговых голосовых магистралей и используют для передачи информации слежения, подобно аналоговой модели Е&М, заимствование сигнального бита. Таким образом, каждый канал передает свои собственные сигналы. Такой интерфейс называется канально-ассоциированной сигнальной системой (Channel Associated Signaling — CAS). Более эффективный метод использует общие сигналы для всех голосовых каналов. Наиболее типичным примером такой общеканальной сигнализации (Common Channel Signaling — CCS) является первичный интерфейс обмена (Primary Rate Interface — PRI) в сетях ISDN.

Для успешной интегрированной передачи голоса и данных, а также обеспечения максимально широкого диапазона приложений необходима поддержка всех этих голосовых интерфейсов. За последние годы пользователи привыкли к определенному уровню производительности, надежности и обслуживания телекоммуникационных систем, который должен поддерживаться и далее. Все эти вопросы сегодня решаются различными системами пакетной передачи речи, поэтому пользователи могут получить тот уровень обслуживания, к которому они привыкли.

Литература:

Руководство по технологиям объединенных сетей, 4-е издание. : Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильяме», 2005. — 1040 с.: ил. – Парал. тит. англ.

Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через RSS 2.0 ленту. Вы можете оставить ответ, или trackback с вашего собственного сайта.

Оставьте отзыв

XHTML: Вы можете использовать следующие теги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

 
Rambler's Top100